杜金程

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

抽水蓄能機(jī)組具有發(fā)電和抽水兩種功能，是發(fā)電機(jī)與水泵的結(jié)合，發(fā)展前景非常廣闊，目前國內(nèi)大型抽水蓄能機(jī)組的研發(fā)、制造還屬于起步階段，寶泉抽水蓄能機(jī)組經(jīng)過與ALSTOM公司的合作和自主研發(fā)，現(xiàn)已成功完成機(jī)組的安裝制造并且運行至今，性能穩(wěn)定，各項指標(biāo)良好。筆者闡述了寶泉機(jī)組發(fā)電機(jī)/電動機(jī)定子線棒部分釬焊的工藝，包括定子線棒與連接塊的廠內(nèi)釬焊和工地下線后的現(xiàn)場釬焊。

1 定子線棒與連接塊的廠內(nèi)釬焊

1.1 定子線棒并頭釬焊結(jié)構(gòu)特點及概述

大型水輪發(fā)電機(jī)上下層線棒的連接主要有兩種，一是并頭板結(jié)構(gòu);二是筆者講述的連接塊結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)各有各的特點。并頭板結(jié)構(gòu)是指在下線后用2塊銅板夾在線棒的外側(cè)，直接將定子線棒端部連接到一起。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:在廠內(nèi)只需將線棒端部封焊即可，工序簡單;其次即使線棒下線后有位置偏差也很容易通過并頭板進(jìn)行調(diào)整連接。缺點是:由于線棒需要在端面封焊后進(jìn)行模壓，會有許多絕緣膠通過股間的凹槽漫流到封焊面，使得在工地下線后的釬焊過程中會產(chǎn)生大量煙霧，并且很難清理掉，既不環(huán)保又會影響釬焊質(zhì)量;焊縫離絕緣過近，難免燒損線棒端部主絕緣。連接塊結(jié)構(gòu)則不同，這種結(jié)構(gòu)如圖1所示，定子線棒的釬焊分兩步完成，首先在廠內(nèi)進(jìn)行線棒與連接塊的封焊;其次是工地安裝過程中上下層線棒連接塊之間的釬焊。這種結(jié)構(gòu)在廠內(nèi)的封焊相對復(fù)雜些，但這樣可以減少下線后的釬焊量，釬焊后只需要釬焊2個連接塊即可，而且由于釬焊面距離線棒絕緣較遠(yuǎn)，避免了釬焊過程中對絕緣的燒損和產(chǎn)生煙塵。缺點是:這種結(jié)構(gòu)對與下線的位置偏差要求相對嚴(yán)格，否則難以保證接頭的釬焊面積，滿足其導(dǎo)電要求。所以釬焊前要對釬焊材料、釬焊工藝方法的選擇進(jìn)行試驗研究的同時，還要在工裝夾具及釬焊參數(shù)等方面上進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制。

圖1 連接塊結(jié)構(gòu)

1.2 定子線棒與連接塊的廠內(nèi)釬焊工藝

1.2.1 釬焊工藝方法的選擇

采用中頻感應(yīng)加熱的方法，這種釬焊方法是由中頻電源產(chǎn)生的中頻交變電流，通過感應(yīng)圈形成中頻交變磁場，在金屬工件的內(nèi)部產(chǎn)生感生電流，從而產(chǎn)生電阻熱來加熱工件，中頻感應(yīng)加熱具有清潔、均勻、迅速的特點，并且可以輕易控制加熱功率，加熱溫度。

1.2.2 夾具的設(shè)計

寶泉定子線棒采用空冷形式，線棒的截面較小，連接塊的結(jié)構(gòu)特殊，線棒與連接塊的設(shè)計釬焊對搭面積較小，設(shè)計釬焊面積只是線棒截面的110%。這就要求釬焊面要完全焊滿才能保證導(dǎo)電要求，從釬焊原理上進(jìn)行分析，提高釬焊質(zhì)量的重要因素之一就是嚴(yán)格控制釬縫間隙，設(shè)計適用的夾緊工具是控制釬縫間隙的關(guān)鍵。夾緊工具形式如圖2。由于在釬焊過程中釬焊工具處于中頻磁場中，如果采用導(dǎo)磁性材料如碳鋼等，該工具會迅速發(fā)熱，因此需采用非導(dǎo)磁材料的不銹鋼制作，以防止在感應(yīng)加熱釬焊時工具發(fā)熱，工具下部為定位基準(zhǔn)，兩側(cè)和上部分別安裝螺旋頂絲，按照圖示將連接塊和釬料裝入線棒后將所有螺旋頂絲旋緊，保證釬焊最佳間隙。

圖2 夾緊工具形式

1.2.3 感應(yīng)圈的設(shè)計

感應(yīng)圈連接在中頻變壓器上，是產(chǎn)生中頻交變磁場來加熱工件的工具，感應(yīng)圈由空心紫銅管彎制，由于在加熱過程中感應(yīng)圈要通過非常大的電流，所以要進(jìn)行通水冷卻，而且冷卻水的壓力不能小于0.3 MP。為了減少漏磁，提高加熱效率，我們在銅管的外面鑲嵌導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體是由0.2的硅鋼片沖制的;其次感應(yīng)圈形狀的設(shè)計是否合理也直接影響釬焊的效率和釬焊質(zhì)量。感應(yīng)圈是根據(jù)連接塊的形狀尺寸設(shè)計，在連接塊的單側(cè)布置感應(yīng)圈(60 mm×40 mm)，感應(yīng)圈的形狀為叉形，與線棒的安裝方式為平行插入，見圖3。

1.2.4 釬焊參數(shù)的確定

圖3 感應(yīng)圈與線棒安裝方式

釬焊參數(shù)是通過試驗來確定的，在試驗線棒上進(jìn)行，釬焊設(shè)備使用的是可控硅變頻靜止電源工作頻率為8000 Hz，額定功率為100 kW 。加熱功率是很重要的釬焊參數(shù)，過大的功率會使加熱速度過快，使得工件加熱不均勻，會造成部分區(qū)域過熱的同時，而其它加熱區(qū)域未達(dá)到釬焊溫度，而產(chǎn)生未熔合等缺陷;而過小的功率會大大增加釬焊時間，而使得工件過分氧化，影響釬料在釬焊面上的鋪展，因此在生產(chǎn)前通過在試驗線棒上反復(fù)試驗來確定設(shè)備最佳釬焊加熱參數(shù)，最終確定的參數(shù)如下。

輸出電流:I=68 A

輸出電壓:U=700 V

輸出功率:P=40 kW

加熱時間:T=80 s

1.2.5 釬料的選擇和放置

釬焊材料:采用 BCu80AgP，銅銀磷釬料，這種釬料含銀15%，含銅80%，余量為磷，熔點為740～815℃，該釬料又被稱做自釬劑釬料，其中的磷成分不但能夠有效的降低釬料熔點還能夠在釬焊過程中清除掉銅的氧化物而不需要另外添加釬劑，這樣既簡化了釬焊操作，又避免了殘留釬劑對發(fā)電機(jī)的腐蝕。釬料共使用5片。釬料厚度使用0.2 mm和0.4 mm兩種，預(yù)先插到釬焊面上，在釬焊過程中可以對焊料不飽滿的位置進(jìn)行手工填料。

1.3 釬焊的工藝過程

1.3.1 焊前的準(zhǔn)備

準(zhǔn)備工作包括工件和釬料的清理、感應(yīng)圈和工具的裝配、釬料的預(yù)置、設(shè)備的調(diào)試等等。在釬焊前要用砂紙和酒精對工件的釬焊面進(jìn)行清理，去掉氧化皮和油脂等臟物，釬料片在使用前浸泡在酒精里，隨取隨用，將釬料片插在釬焊面上，按照圖1裝配夾具和感應(yīng)圈，在感應(yīng)圈和工件間要墊放絕緣片，啟動中頻機(jī)，將參數(shù)調(diào)整在以確定的范圍內(nèi)。

1.3.2 釬焊工藝過程

踏中頻機(jī)腳踏開關(guān)開始加熱，當(dāng)工件成暗紅色時(此時工件溫度約為740℃)釬料開始熔化，此時要斷續(xù)加熱，以保證工件各位置溫度的均勻，當(dāng)釬料完全熔化后，觀察釬焊縫是否有釬料不飽滿的地方，可以用φ2的釬料絲進(jìn)行填料。確定所有焊縫釬料飽滿時停止加熱，用風(fēng)強(qiáng)制冷卻。當(dāng)溫度降到400℃后拆下夾具，完成釬焊。

1.3.3 焊后的檢查和清理

焊后進(jìn)行外觀檢查，所有焊縫不允許有氣孔，凹陷，裂紋，焊瘤等缺陷。檢查合格后用鋼絲刷對焊接部位進(jìn)行清理，去除氧化皮。

2 工地安裝后上下層連接塊的釬焊

2.1 工件準(zhǔn)備

工地下線后，上下層連接塊的釬焊也是采用中頻感應(yīng)釬焊，為保證合理的釬焊接頭間隙，在工地定子線棒的下線過程中必須要嚴(yán)格控制上下層線圈連接塊的相對位置，上下層連接塊的錯位很難在釬焊前矯正，從而給釬焊工序帶來很大麻煩。

2.2 使用的工具設(shè)備

在工地使用的是國產(chǎn)KGPS100晶閘管逆變靜止電源，連接感應(yīng)圈的中頻變壓器用一旋轉(zhuǎn)吊架移動，夾緊工具采用可調(diào)式“C”型夾子。

2.3 焊前的準(zhǔn)備

焊前首先要對線棒的絕緣進(jìn)行保護(hù)，采用冷卻夾子夾持線棒封焊部位的方法對線棒絕緣進(jìn)行冷卻，冷卻夾子是由焊有通水紫銅管的銅板制作而成，實踐證明可以有效地避免絕緣過熱。釬焊過程中還要在線棒絕緣上纏濕布帶進(jìn)一步保護(hù)絕緣。按照圖4裝配感應(yīng)圈和夾緊工具，感應(yīng)圈則從上向下插在連接塊上。在安裝感應(yīng)圈的時候需要注意，通過感應(yīng)圈兩排導(dǎo)磁體間的縫隙要能夠觀察到焊縫，并且能夠用φ2焊絲進(jìn)行填料。由于下線后釬焊面貼在一起，無法進(jìn)行清理，因此釬焊面的清理工作要在下線前完成，清理的方法和要求與廠內(nèi)焊前的清理是一樣的。在下線后如果出現(xiàn)上下層連接塊錯位的現(xiàn)象，這要用專用的整形工具進(jìn)行矯正，對于間隙過大又不能夠用“C”型夾子拉緊的線棒，可以在連接塊間打入銅塊，然后預(yù)置兩片0.2 mm焊片，夾緊后進(jìn)行釬焊。

2.4 釬焊工藝過程

將加熱功率設(shè)定在40 kW，啟動感應(yīng)加熱設(shè)備，斷續(xù)加熱，隨著溫度的升高，焊片開始逐漸熔化，當(dāng)焊片完全熔化后，立即再次旋緊“C”型夾子，使得釬焊間隙更小，如果觀察不到焊料不飽滿的地方，可不必手工填料，當(dāng)釬料充分填充焊縫后停止加熱，并用空氣冷卻工具強(qiáng)制冷卻。當(dāng)工件溫度降到400℃以下時拆掉工件。在加熱過程中，可以在濕布上加水以保證冷卻效果。

2.5 焊后的檢查

外觀檢查，在觀察不到的地方，比如最下面的焊縫，要用手電筒和鏡子檢查，不允許有任何裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。

圖4 感應(yīng)圈與夾緊工具的安裝

3 結(jié)語

通過對國外先進(jìn)技術(shù)的吸收引進(jìn)和在實際生產(chǎn)過程的不斷改進(jìn)和總結(jié)逐步形成了成熟的抽水蓄能機(jī)組的定子釬焊的工藝，此工藝充分體現(xiàn)了中頻感應(yīng)加熱釬焊靈活高效的優(yōu)越性，為寶泉抽水蓄能機(jī)組的順利制造安裝發(fā)揮了重要作用。